核電系統(tǒng)中納米流體的應(yīng)用研究進(jìn)展淺析

賈凝晰 王洪亮

（中國核電工程有限公司，北京100840）

0 引言

隨著對高效傳熱技術(shù)的需求越來越多，傳統(tǒng)的傳熱流體由于導(dǎo)熱系數(shù)較低逐漸無法滿足更高的工程需求。理想的納米流體具備高熱導(dǎo)性、低黏性、良好的穩(wěn)定性和兼容性，同時，低廉的價格使其具有很好的經(jīng)濟(jì)性。納米流體已在多個如生物、化學(xué)、傳熱、能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，納米流體若應(yīng)用在核能領(lǐng)域也將會有非常大的研究價值和發(fā)展?jié)摿1-3]。

納米流體在核能領(lǐng)域可能的應(yīng)用方向主要有兩個，分別是關(guān)鍵設(shè)備的冷卻和應(yīng)對嚴(yán)重事故工況。冷卻方面，納米流體的經(jīng)濟(jì)價值明顯高于傳統(tǒng)的冷卻換熱工質(zhì)，使其有望應(yīng)用在核能領(lǐng)域；應(yīng)對事故工況，納米流體的高效傳導(dǎo)與壁面臨界熱流密度強(qiáng)化特性，可以大大增加應(yīng)對策略的可靠性。

核能領(lǐng)域的應(yīng)用環(huán)境條件多數(shù)較為苛刻，包括高溫、高壓、強(qiáng)輻射、pH值等的限定，具體條件依據(jù)應(yīng)用方向而定。因此，在核能領(lǐng)域應(yīng)用納米流體技術(shù)，需要在綜合考慮應(yīng)用環(huán)境條件的前提下合理設(shè)計應(yīng)用方案。

1 納米流體優(yōu)越特性

1886年，Maxwell采用微觀分子的統(tǒng)計行為解釋宏觀氣體的性質(zhì)并獲得了分子分布定律。根據(jù)Maxwell混合理論，將固體顆粒分散到液體工質(zhì)中，固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)比液體工質(zhì)大得多，可以提高整體的導(dǎo)熱系數(shù)[4]。隨之，Maxwell提出微米或毫米級固體粒子懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)模型。該理論模型先后經(jīng)過Jeffrey、Davis、Grosser等人優(yōu)化完善[5]。

1995年，美國Argonne國家實(shí)驗室的Choi等提出了納米流體的概念，即將納米級金屬或非金屬氧化物顆粒添加到換熱工質(zhì)中制備出新型換熱工質(zhì)[6]。相比Maxwell的理論中提到的在液體中添加毫米或微米級固體粒子懸浮液而言，在液體中添加納米顆粒可使傳熱工質(zhì)在工程應(yīng)用方面具有更優(yōu)越的特性。

2.1 納米流體的導(dǎo)熱研究

導(dǎo)熱特性是納米流體最為重要的熱物性之一，作為新型換熱工質(zhì)，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)是研究學(xué)者的主要關(guān)注對象。早期關(guān)于納米流體導(dǎo)熱特性的研究主要集中在添加高濃度氧化物顆粒對流體熱物性的改變，后來，隨著納米流體制備工藝和新型材料的引進(jìn)，國內(nèi)外學(xué)者得到了多種納米流體強(qiáng)化導(dǎo)熱特性的結(jié)論和成果。納米流體的導(dǎo)熱特性受很多因素的影響，包括納米顆粒自身的屬性、份額、粒徑、穩(wěn)定性、溫度等。

針對納米流體的導(dǎo)熱特性，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的實(shí)驗研究。表1為相關(guān)學(xué)者文章的實(shí)驗結(jié)果總結(jié)。從表中可知采用適當(dāng)?shù)募{米流體可以強(qiáng)化冷卻工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，不同工質(zhì)強(qiáng)化效果不同；同一工質(zhì)，由于納米顆粒粒徑、濃度等差異所得到的導(dǎo)熱系數(shù)強(qiáng)化效果不同。

表1 納米流體的導(dǎo)熱試驗研究

由于納米顆粒的加入，使得基液的導(dǎo)熱特性顯著增強(qiáng)，從微觀機(jī)理來看，主要可從兩個方面對此進(jìn)行解釋：

（1）由于固體粒子的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于液體，固體顆粒的加入改變了基礎(chǔ)液體的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于體系中固相的體積含量增加了，因此，增強(qiáng)了混合物內(nèi)部的熱量傳遞過程，使導(dǎo)熱率增大；

（2）納米流體中的粒子做布朗運(yùn)動，使粒子相互碰撞，納米粒子的微運(yùn)動使得粒子與液體間產(chǎn)生微對流現(xiàn)象，這種微對流增強(qiáng)了粒子與液體間的能量傳遞過程，增大了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2 納米流體對流換熱特性

關(guān)于納米流體對流換熱特性的研究，主要包括自然對流換熱和強(qiáng)迫對流換熱。由于目前關(guān)于自然對流換熱的研究較少，且研究結(jié)果顯示納米顆粒的加入使得納米流體的自然對流傳熱性能更差，而且隨著顆粒濃度增加而進(jìn)一步變差。因此，本文主要討論強(qiáng)迫對流換熱。國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為采用納米流體可以提高強(qiáng)迫對流換熱的性能。

國內(nèi)外學(xué)者通過大量實(shí)驗證明了納米流體的加入對于換熱性能的改善作用。Kole[15]使用長時間超聲法制備ZnO-EG納米流體，通過測定換熱系數(shù)相比基液而言提升了22%。Raveshi[16]通過實(shí)驗得出在Al2O3-EG/H2O納米流體中存在一個最佳體積濃度0.75%使傳熱系數(shù)最大，達(dá)到64%。Zeinali[17]通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)0.5%的CuO-EG/H2O納米流體的傳熱增強(qiáng)效果最好，達(dá)到55%。梁中麗[18]通過實(shí)驗測得Fe3O4/H2O納米流體在體積分?jǐn)?shù)為1%時，對流換熱系數(shù)增加約90%。黎陽[19]等在自制對流傳熱性能測試平臺上對以水/乙二醇混合液為基液的Al2O3、MgO和ZnO納米流體進(jìn)行了測試，傳熱系數(shù)增量分別為47.5%、244%和24.6%。上述實(shí)驗結(jié)果表明添加適當(dāng)?shù)募{米顆粒，可以提高工質(zhì)的強(qiáng)迫對流的換熱系數(shù)，且采用不同納米流體所得到的強(qiáng)化效果不一，甚至差異較大。而納米流體強(qiáng)化換熱的原因除納米顆粒的加入使導(dǎo)熱系數(shù)增加外，還有：1）大量納米顆粒在壁面和基液中循環(huán)運(yùn)動，且納米顆粒換熱面積大，加快了壁面與基液達(dá)成熱平衡；2）納米顆粒的比熱容較基液大幾百倍，大大增加了流體的熱流密度；3）納米顆粒的遷移還使得納米流體的截面溫度分布變得平坦。

1.3 納米流體CHF強(qiáng)化特性

近年來，研究學(xué)者提出多種方案來強(qiáng)化反應(yīng)堆壓力容器外壁面CHF，如改變加熱器形狀、改變換熱表面特性、增加換熱面積等。在眾多方法中，采用納米流體技術(shù)強(qiáng)化CHF的方法引起了廣大研究學(xué)者的關(guān)注。CHF的產(chǎn)生是由于沸騰換熱過程中換熱表面產(chǎn)生大量的氣泡，當(dāng)達(dá)到臨界熱流密度時，大量的氣泡會在換熱表面積聚使得傳熱惡化，甚至燒毀。按照沸騰換熱形式，納米流體的CHF強(qiáng)化試驗主要包括池式沸騰和流動沸騰工況。

國內(nèi)外學(xué)者針對池沸騰和流動沸騰進(jìn)行了大量的試驗研究，表2為關(guān)于納米流體這兩種沸騰方式的試驗研究結(jié)果。結(jié)果表明，兩種沸騰工況下采用不同的納米流體均可使CHF得到不同程度的強(qiáng)化。一些學(xué)者認(rèn)為CHF強(qiáng)化的原因是納米顆粒的附著，工程應(yīng)用條件包括流速、含氣率、流型、換熱方式等均對CHF的強(qiáng)化具有一定影響，未來需要進(jìn)一步研究。

表2 納米流體的池沸騰試驗研究

2 核電系統(tǒng)中納米流體的工程應(yīng)用方案

鑒于納米流體的優(yōu)越特性，使其與傳統(tǒng)的傳熱流體相比，在強(qiáng)化換熱方面體現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢，能夠?qū)⒓{米流體技術(shù)在核電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)真正的應(yīng)用將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做出大量的有關(guān)納米流體的研究和總結(jié)工作，并提出多種有關(guān)納米流體在核能領(lǐng)域應(yīng)用的設(shè)計方案，本文針對其中一些技術(shù)難點(diǎn)（如納米流體長時間分散性等問題）提出了優(yōu)化方案。這些設(shè)計方案對未來納米流體在核能領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供有力的參考。

2.1 納米流體注射系統(tǒng)

2.1.1 MIT非能動IVR納米流體注射系統(tǒng)設(shè)計

美國MIT的Buongiorno等人[28，29]曾提出一種適用于美國AP1000、韓國APR1400等先進(jìn)壓水堆的非能動的納米流體注射系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案預(yù)期反應(yīng)堆壓力容器外壁面CHF提高約40%，是一種強(qiáng)化CHF的有效措施。

如圖1所示，為MIT納米流體注射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)主要由N2罐、納米流體貯存罐、閥門及管路組成。正常工況下納米流體和主環(huán)路隔離，事故期間納米流體可與反應(yīng)堆安全系統(tǒng)的水源混合并在IVR嚴(yán)重事故緩解策略需要時注入反應(yīng)堆堆腔。該方案具有以下優(yōu)勢：

圖1 MIT納米流體注射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）采用納米流體，可有效提升反應(yīng)堆壓力容器外壁面的CHF；

（2）納米流體注射系統(tǒng)與其他系統(tǒng)互不影響且采用非能動設(shè)計無須外部能源支持；

（3）納米流體注射系統(tǒng)成本低廉，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

2.1.2 KyungHee非能動ECCSs納米流體注射系統(tǒng)設(shè)計

韓國KyungHee的Myoung等人[30]曾提出一種以韓國APR1400為應(yīng)用背景的非能動應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（ECCSs）納米流體注射系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)與安注箱結(jié)合，同樣采用非能動的方式，可在事故工況下向ECCSs注射納米流體。

如圖2所示，為KyungHee納米流體注射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，除核電系統(tǒng)原有的安注箱外，納米流體注射系統(tǒng)主要由納米流體水箱、取樣器、塞板、浮球等裝置組成。當(dāng)事故發(fā)生時，安注箱啟動向相應(yīng)冷卻管線注入冷卻水，從而達(dá)到堆芯冷卻的目的；相應(yīng)地，安注箱內(nèi)液位下降，浮球帶動塞板，納米流體水箱回路開啟，共同向冷卻管注射納米流體和冷卻水。

圖2 KyungHee納米流體注射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該方案無須人為介入，在原安注箱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)納米流體注射系統(tǒng)，利用浮球裝置與安裝箱系統(tǒng)聯(lián)動觸發(fā)啟動，安全系數(shù)高，同時增設(shè)納米流體取樣器，便于日常維護(hù)和檢測納米流體。

對上述納米流體注射系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)與分析可知，目前的納米流體注射系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的原因主要有：1）目前的技術(shù)手段無法讓納米流體長時間維持均勻穩(wěn)定的分散狀態(tài)；2）工程需要的納米流體量較大，事故條件下，無法提供能源支持納米流體系統(tǒng)的運(yùn)行；3）納米流體系統(tǒng)的壽命有限，工程實(shí)際中不便更換和拆卸；4）納米流體系統(tǒng)的設(shè)置可能會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

針對上述問題，研究學(xué)者提出“現(xiàn)用現(xiàn)制”“高濃度制備低濃度使用”理念進(jìn)行方案優(yōu)化，優(yōu)化方案避免的納米流體的存儲弊端，采用干濕分離的方法儲存納米顆粒和基液，需要時啟動蓄電池進(jìn)行混合、制備納米流體，即“現(xiàn)用現(xiàn)制”，避免了納米流體無法長時間儲存的問題，同時有效提高納米流體注射系統(tǒng)的使用壽命。與此同時，短時間內(nèi)制備高濃度納米流體并通過高壓N2罐注射到接入的系統(tǒng)或管道，與原有的冷卻水混合、稀釋而后發(fā)揮效用，即“高濃度制備低濃度使用”，避免了直接生產(chǎn)大量低濃度納米流體而需要較多能源支撐的問題。

2.2 納米流體冷卻回路系統(tǒng)設(shè)計

雖然納米流體強(qiáng)化傳熱效果明顯，但是作為冷卻劑，納米流體的應(yīng)用受到其穩(wěn)定性的影響較大。尤其是在核能領(lǐng)域，將納米流體作為核電廠一回路的主冷卻劑或者應(yīng)用于關(guān)鍵大型設(shè)備的冷卻的設(shè)計方案寥寥無幾，主要是由于：1）作為主冷卻劑，納米流體的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)試劑，如有機(jī)大分子試劑、pH調(diào)節(jié)試劑的使用嚴(yán)重受到限制；2）聚集后的納米顆粒團(tuán)聚粒子對主循環(huán)回路的設(shè)備和管路造成危害；3）大部分納米顆粒對堆芯的輻照較為敏感，同時也會影響堆芯的中子行為。

研究人員結(jié)合納米流體冷卻回路試驗，提出一種適用于壓水堆核電站的納米流體冷卻回路系統(tǒng)的設(shè)計方案。方案設(shè)置了納米流體分散罐，罐內(nèi)設(shè)有攪拌器和超聲振動分散器，借以維持回路中納米流體冷卻劑均勻穩(wěn)定的分散狀態(tài)，從而利用納米流體高效傳熱特性提高換熱效率。

3 結(jié)論

本文在充分了解納米流體優(yōu)越特性后總結(jié)了納米流體在核電系統(tǒng)中的工程應(yīng)用設(shè)計方案，主要分析結(jié)論如下：

（1）納米顆粒自身的屬性、份額、粒徑、穩(wěn)定性、環(huán)境溫度等均對納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)有一定的影響，采用適當(dāng)?shù)募{米流體可以顯著提高冷卻工質(zhì)的導(dǎo)熱系。

（2）采用適當(dāng)?shù)募{米流體，可以提高強(qiáng)迫對流的換熱系數(shù)。

（3）采用適當(dāng)?shù)募{米流體可以提高池沸騰、流動沸騰表面CHF。

（4）納米流體在核電系統(tǒng)的工程應(yīng)用設(shè)計方案主要包括納米流體注射系統(tǒng)類（適用于IVR策略、ECCSs系統(tǒng)的應(yīng)用）和冷卻回路系統(tǒng)類（適用于主回路冷卻劑、關(guān)鍵設(shè)備冷卻回路的應(yīng)用）。